军校研究生“数字信号处理”课程改革

胡永江，王永川，马晓琳

(军械工程学院，河北石家庄050003)

“数字信号处理”课程是军队工科院校电子类、控制类及信息类等专业研究生的一门不可或缺的学位课，与最优控制、故障诊断和人工智能等多门学科紧密相关[1-3]。在多年的教学实践中发现，该课程基础起点高，内容抽象，理论较深且实践性强[4-5]。但是军队工科院校研究生来源复杂，知识结构差异较大[6];学生课题研究对数字信号处理具有多样化要求。我们针对这些特点，对课程进行了改革。

1 课程教学实施中的问题

1)对教学工作有很高要求

“数字信号处理”课程要求数学基础较高，内容比较抽象，需要使用数学语言对问题进行描述，缺少直观性。但因联系工程实践紧密，这些特点向教学工作提出了严峻的挑战，很容易出现“讲不清，学不明，用不上”的情况。

2)生源参差不齐

我院每年招收的硕士研究生主要来自地方院校(国防生类)、相关专业系(军校生类)以及部队干部(在职干部类)，学生的知识背景、知识结构、理论基础、理解能力和实践能力差别很大，系统地学习过全部专业课程的学生很少。统计表明，在我院2011年至2013年选修“数字信号处理”课程的研究生中，有近42%的研究生没有学过信号与系统或自动控制原理，有近36%的研究生缺乏如积分变换、概率理论和复变函数等重要的数学基础知识，给教学工作的有序进行带来较大困难。

3)欠缺工程背景

数字信号处理技术有很强的实践性，军校类和国防生类研究生都缺乏扎实的工程实践背景，对Matlab和DSP等相关仿真实践基础知识缺乏，导致学习过程和实践环节非常被动。

4)课程内容丰富与课时较少矛盾突出

“数字信号处理”课程内容十分丰富且涉及面广，学习过程难度增加，但分配的学时有限，内容丰富和学时较少的矛盾突出，不但给掌握知识带来障碍，而且给教学过程带来不便。

5)课题研究需求给内容选择带来挑战

由于我院研究生课题主要是针对具体武器装备展开研究，各专业武器装备技术差异大，需针对具体信号在处理算法的理论和实践上进行拓展，以满足不同专业研究生的课题需求，如何合理选择教学和实践内容，直接关系到教学内容的完整性、系统性和实用性。

6)创新能力培养给内容设计提出高要求

根据军队院校研究生培养目标要求[6]，培养研究生的自主学习、工程实践、科研创新、论文写作以及团队协作等能力，都需要在课程内容顶层规划时，有针对性地进行设计。

2 课程教学内容设计与实施

我们结合课程特点，针对课程教学实施中存在的问题，将课程教学内容进行整合设计，形成基础理论、实验项目和拓展专题三个相辅相成的课程教学体系，分别占总课时的65%、25%和10%。在基础理论体系中，重点解决课程内容过多、内容抽象过难和学生缺少专业知识等问题;在实验项目体系设计中，重点解决学生缺少工程背景知识，着力提高学生工程实践、论文写作和团队协作等能力;在拓展专题体系设计中，重点解决学生课题研究需求多样化难题，着力提高学生自主学习和科研创新等能力。

2.1 基础理论体系设计与教学

(1)精心组织教学内容，仔细讲解重要知识点。首先是补充部分信号与系统知识，解决学生专业知识薄弱的难题，保证学生能够正常入门;然后讲述如何获取数字信号(即抽样定理)及存在问题(即量化误差分析);再讲述如何认知数字信号或系统的特性(即频域分析与变换理论);然后讲述如何处理含噪或受扰数字信号(即滤波器理论与设计);最后讲述如何根据要求设计一个数字系统(即信号参数估计与建模)。以问题为牵引，形成一条数字信号获取、分析与处理及系统综合设计实现的精简理论知识链。同时在教学实施过程中，缩减一些繁琐陈旧的理论推导，注重理论数学性与物理性的对应关系，强调结论的物理意义和工程应用。

(2)与时俱进，引入学科专业前沿知识。采用对比法进行讲解学习，如针对奈奎斯特抽样定理的局限性，可引入带限信号的欠抽样定理;针对傅立叶变换谱分析的缺陷，讨论短时傅里叶分析等理论;针对经典滤波器的缺点，适当扩展维纳滤波、自适应滤波和卡尔曼滤波等知识;针对经典谱估计和建模的不足，引入参数谱估计、非参量谱估计以及高阶谱估计等知识。这些前沿知识的引入，既拓展了学生的知识面，又与学院各类武器装备所用信号处理知识息息相关，满足各学科对数字信号处理的理论知识需求。

2.2 实验体系设计与实施

实验研究是培养研究生应用能力的重要环节，我院按照“厚基础”和“强综合”的原则，基于Matlab软件和DSP开发工具箱，形成“数字信号如何采集获取，如何进行谱分析，如何变换以及如何滤除杂波”的一条与理论相呼应的实验体系。

(1)与基础理论体系相对应，形成数字信号采集与抽样、傅立叶变换与谱分析、滤波器设计与实现和功率谱估计与信号建模等四个基础实验专题，重点解决仿真软件运用和理论与实践相结合的问题。

(2)按照数字信号采集、分析和处理的设计思路，在控制、通信、雷达、机械以及测试领域设置了五个综合实验项目，重点解决综合设计和运用中出现的难题。根据实验项目要求，由2-3名学生按五个综合方向分成若干个小组，分工协作，通过编写仿真代码、演示仿真结果和撰写实验报告等方式，开展实验研究和探索，切实提高研究生的工程实践能力和论文写作能力。

2.3 拓展专题的设计与实施

我们根据每个研究生研究方向，参照基础理论体系和实验项目体系，设立控制信号处理、通信信号处理、雷达信号处理、机械振动信号处理、测试信号处理、图像信号处理和语音信号处理等七个拓展专题。在教学实施过程中，学生可自主选题并组成2-3人兴趣研究小组，采用分组自主学习、撰写研究报告和课堂交流相结合的方式，在相互学习、共同提高的同时，保证了每个学生都有一个与自身专业相关的拓展专题。

3 课程考核与效果评估

1)课程考核

为了评估课程整合设计后的教学效果，课程考核采用理论考试、实验汇报和专题交流相结合模式。

理论考试主要考核基础理论，120分钟闭卷模式，成绩占40%;实验汇报依据综合实验专题，采用主题报告、现场演示和回答质疑相结合的方式，成绩占40%;专题交流依据拓展专题，撰写研究论文，在课堂讨论时现场报告和讨论交流，成绩占20%。

2)效果评估

学院2011年至2013年选修“数字信号处理”课程的考核成绩统计如图1所示。

图1 2011年-2013年考核成绩统计图

其中成绩A表示在85分以上，成绩B在85分至75分之间，成绩C表示在75分至60分之间。通过三年“数字信号处理”课程的教学实践和考核评估，可以发现:在课程内容整合初期(2011年)，学生对基础理论掌握很好，但在实验汇报和专题交流两个方面不够理想;在教学内容整合中期(2012年)，采用减少理论讲解、增加实验指导，虽然基础理论掌握情况有小幅度回落，但学生的实验汇报环节成绩有了大幅度的提高，;在教学内容整合后期(2013)，学生在理论考试、实验汇报和专题交流方面都有很大幅度提高。

实践表明，基础理论、实验项目和拓展专题的课时分别为50%、35%和15%时比较合适。根据近三年学生反馈意见来看，学生对课程内容体系的设置非常满意，基础较好的学生表示在迅速掌握基础理论的同时，可以花更多精力在实验项目和拓展专题上，拓展自己的能力;基础较薄弱的学生表示通过团队协作，使自己在薄弱环节得到提高。

4 结语

本文根据军队院校研究生培养目标要求，结合我院研究生特点和学科发展需求，对“数字信号处理”课程内容进行了整合设计。整合设计是课程教学的重要环节，也是针对课程目标、授课对象和课程特点进行高度融合的教学需要。除了使学生掌握了数字信号处理的基础理论知识，还锻炼了学生的自主学习、工程实践、科研创新、论文写作以及团队协作等应用创新能力，达到了课程教学改革的主要目的。针对理论前沿和拓展专题较难的问题，下一步将这两个部分采用MOOC方式，化繁为简、化难为易、化大为小，让学生在课余自主学习，真正的让学生带着兴趣学，带着问题学，切实提高其应用创新能力。

[1]胡学友，王颖，胡云龙.“数字信号处理”教学改革与实践[J].南宁:高教论坛，2007.6(3):67-69

[2]蓝会立，廖凤依，文家燕.“数字信号处理”课程教学改革与实践[J].北京:中国电力教育，2012(3):86-87

[3]庄陵，曹建玲，朱联祥.基于建构理论的“数字信号处理”课程教学模式探索[J].北京:中国电力教育，2010(2):61-62

[4]何玲松.两年制硕士研究生课程教学改革探索-“工程数字信号处理算法与实践”课程改革实践[J].北京:学位与研究生教育，2008(7):26-29

[5]杨会成，王世芳.项目教学法在信号处理课程教学中的实践与探索[J].北京:中国电力教育，2012(29):50-51

[6]李加勇，白永生，叶和明，刘洁.新形势下提高军校研究生创新能力的策略分析[J].北京:中国电力教育 ，2012(14):61-63